A validação do modelo numérico foi realizada através de uma comparação direta entre os resultados numéricos e experimentais obtidos para as três condições de operação.
A Figura 5.13 apresenta as vazões mássicas instantâneas prescritas na saída da geometria do sistema de sucção adotada nas simulações, as quais foram obtidas com o código RECIP (USSYK, 1984). Percebe-se que o código prevê refluxo para todas as condições de operação, sendo maior quanto menor é a pressão da linha de sucção.
Figura 5.13. Vazão mássica instantânea prescrita na saída da geometria simulada para as três condições testadas.
A oscilação da vazão após a abertura da válvula de sucção é consequência da diferença de pressão entre as câmaras de sucção e de compressão, bem como da dinâmica da válvula. Logo na abertura da válvula existe uma grande diferença de pressão, a qual, em conjunto com a abertura rápida da válvula, propicia um aumento rápido de vazão.
No entanto, este aumento repentino de vazão origina um aumento de pressão na câmara de compressão, mesmo com o movimento descendente do pistão, resultando na redução da vazão logo em seguida. Esta redução de vazão e o movimento de expansão do pistão ocasionam, então, novo aumento de vazão.
A simulação do escoamento do sistema de sucção teve que ser realizada ao longo de três ciclos completos de compressão a fim de alcançar a condição de regime completamente periódico. Deve-se ressaltar que um número maior de ciclos é necessário para atingir o regime periódico no caso da transferência de calor, mas por questões de custo computacional considerou-se o terceiro ciclo para efeito de análise. A saber, a mudança da taxa de transferência de calor no muffler de sucção do primeiro para o segundo ciclo e do segundo para o terceiro ciclo não é maior do que 6% e 1%, respectivamente, o que evidencia que os valores de regime periódico não estariam tão afastados dos resultados apresentados no presente documento. Embora a simulação do compressor com o código RECIP seja de custo extremamente baixo, a simulação do escoamento no sistema de sucção propriamente dita demandou um total de 25 dias de processamento em computador pessoal com processador Intel i7 950 de 4 núcleos.
A comparação entre os resultados numéricos e experimentais da pressão na câmara de sucção encontra-se na Figura 5.14 para as três condições de operação. A pressão avaliada numericamente representa a média volumétrica na câmara de sucção. Nota-se uma concordância razoável entre as amplitudes de oscilações da pressão durante o período em que a válvula se encontra fechada. A defasagem entre as oscilações pode estar associada à modificação da geometria adotada na simulação, a qual considera apenas um orifício para a válvula de sucção. Naturalmente, a concordância entre os resultados é também relacionada ao nível de acurácia do próprio código RECIP em prever corretamente a vazão através da válvula que é usada como condição de contorno na simulação numérica do sistema de sucção. Após a abertura da válvula, os resultados numéricos e experimentais mostram variações de pressão similares, mas com certa diferença de magnitude.
A comparação dos resultados de pressão na entrada do sistema de sucção (Figura 5.15) mostra que o modelo prevê uma queda de pressão um pouco mais acentuada com a abertura da válvula de sucção. No entanto, há uma boa concordância no nível de pressão no período em que a válvula encontra-se fechada para todas as condições de operação.
Figura 5.14. Comparação da pulsação de pressão experimental e numérica na câmara de sucção para as três condições testadas.
Figura 5.15. Comparação da pulsação de pressão experimental e numérica no duto de entrada para as três condições testadas.
As Figuras 5.16 e 5.17 mostram comparações entre medições e previsões numéricas de velocidade na saída e na entrada do sistema de sucção. As velocidades médias nas sessões são calculadas com base na vazão mássica instantânea na sessão do duto de interesse,
2 4 D m U t t m [5.4]
onde D é o diâmetro do duto e é a densidade média na área instantânea do fluido. É bem evidente a diferença das magnitudes entre os dados numéricos e experimentais, embora haja concordância razoável em relação às oscilações devido ao regime pulsante do escoamento. As velocidades negativas previstas com o modelo numérico evidenciam períodos de escoamento reverso no sistema como já discutido na seção 5.1.4.
Figura 5.16. Comparação da velocidade instantânea experimental e numérica no duto de saída para as três condições testadas.
Figura 5.17. Comparação da velocidade instantânea experimental e numérica no duto de entrada para as três condições testadas.
Nas Tabelas 5.12 e 5.13 são comparadas as velocidades médias no ciclo obtidas com a Equação [5.4] e as velocidades médias avaliadas com a vazão mássica do fluxímetro coriolis, . Nota-se uma
diferença entre os resultados numéricos e experimentais de velocidade média em torno de 25%, a qual pode ser atribuída a erros na vazão mássica instantânea avaliada pelo código RECIP e a própria modelação da turbulência.
Tabela 5.12. Comparação das velocidades médias numéricas e fluxímetro no plano de localização da sonda do duto de entrada.
[m/s] [m/s] Diferença [m/s] BV 11,1 13,2 2,1 MV 13,1 15,1 2,0 AV 14,1 16,1 2,0
Tabela 5.13. Comparação das velocidades médias numéricas e fluxímetro no plano de localização da sonda do duto de saída.
[m/s] [m/s] Diferença [m/s] BV 11,3 14,8 3,5 MV 13,1 16,6 3,5 AV 14,2 17,6 3,4
Resultados de temperatura instantânea na entrada do sistema de sucção são comparados na Figura 5.18. Novamente os resultados numéricos representam a temperatura como uma média na seção transversal da região em que a sonda é instalada. Os resultados apresentam concordância razoável, embora a temperatura prevista pelo modelo esteja subestimada em aproximadamente 4°C em todas as condições de operação.
Figura 5.18. Comparação da temperatura instantânea experimental e numérica no duto de entrada para as três condições testadas.
É interessante notar que o aumento previsto numericamente para a temperatura média do fluido desde a entrada do domínio computacional, indicados pela variável na Figura 4.4(a), até a
entrada do sistema de sucção é pequeno quando comparado com os resultados experimentais (Tabela 5.14). Os resultados numéricos de variação negativa de temperatura são justificados pela aceleração do escoamento e, assim, redução de pressão, na entrada no sistema de sucção. De fato, talvez a posição da medição de temperatura para a prescrição necessária na entrada do domínio computacional não seja a mais adequada para o presente problema.
Tabela 5.14. Comparação do aumento da temperatura média no ciclo do fluido desde sua entrada no domínio até o plano do duto de entrada.
Experimental [°C] Numérico [°C] BV 3,6 -0,42 MV 3,4 -0,44 AV 2,7 -0,45
A Figura 5.19 apresenta a comparação entre os resultados numéricos e experimentais de temperatura na seção na saída do sistema de sucção, junto à câmara de sucção. Levando-se em consideração que a temperatura do fluido prevista na entrada do muffler é menor do que aquela indicada pelo sensor, o modelo numérico prevê um maior aquecimento do gás ao longo de sua passagem pelo muffler, conforme indicado na Tabela 5.15. Esta diferença significativa pode estar associada às condições de contorno térmicas escolhidas para a câmara de sucção e o duto de saída, originando o aquecimento excessivo do fluido junto à câmara de sucção. Talvez uma discretização mais detalhada nas superfícies da região de saída do sistema de sucção baseado em dados experimentais possa melhorar a acurácia dos resultados numéricos. Outra modificação que merece ser investigada é a inclusão de um modelo para a solução da condução tridimensional nas paredes da câmara de sucção.
Figura 5.19. Comparação da temperatura instantânea experimental e numérica no duto de saída para as três condições testadas.
Tabela 5.15. Comparação entre resultados numéricos e experimentais para o aquecimento médio do fluido ao longo do muffler de sucção.
Experimental [°C] Numérico [°C] BV 3,8 3,6 MV 0,8 3,5 AV 0,8 1,2
A Tabela 5.16 apresenta a previsão numérica do aumento da temperatura do gás durante o período em que a válvula permanece fechada, representado pela inclinação das linhas cheias verdes na Figura 5.19. A comparação com os dados experimentais demonstra que o modelo prevê bem o aquecimento do gás.
Tabela 5.16. Comparação entre resultados numéricos e experimentais para o aquecimento do fluido durante o período que a válvula está fechada.
Experimental [°C] Numérico [°C] Diferença [°C] BV 2,3 2,2 0,1 MV 1,5 1,2 0,3 AV 1,0 0,7 0,3